Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Filtern
Dokumenttyp
Schlagworte
- Photon counting detectors (5) (entfernen)
Organisationseinheit der BAM
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Eigenschaften der photonenzählenden und spektralauflösenden Detektortechnik und möglichen Anwendungsgebieten in der zerstörungsfreien Prüfung. Dabei wurden konventionelle und photonenzählende Detektortechniken hinsichtlich der Bildqualität und Anwendbarkeit bei unterschiedlichen Prüfaufgaben verglichen und untersucht, inwiefern sich die Energieschwellwertsetzung auf die erreichbare Bildqualität und eine Materialdiskriminierbarkeit bei verschiedenen radiographischen Verfahren auswirkt.
Anhand von Anwendungsbeispielen wurden diese Eigenschaften und deren Auswirkung auf das Messergebnis analysiert. Neben der Radiographie wurden auch dreidimensionale Verfahren wie CT und Laminographie berücksichtigt.
Als eine der wichtigsten Eigenschaften der photonenzählenden Detektortechnik wurden zunächst die Energieauflösung des photonenzählenden Detektors und die Homogenität der Energieantwort über größere Detektorbereiche bestimmt. Dabei stellte sich heraus, dass die Energieauflösung eines abgegrenzten Detektorbereichs ca. 32 % bei 60 keV beträgt und die Streuung in der Energieantwort der einzelnen Detektorbereiche ca. 12 % ausmacht, woraus sich eine Gesamtunsicherheit in der spektralen Detektorantwort von ca. 44 % ergibt. Die geringe Energieauflösung und das stark heterogene Verhalten der Detektorbereiche ergeben sich vor allem aus der Detektorelektronik, welche nur eine globale Energieschwellwertsetzung zulässt.
Trotz dieser Einschränkungen konnte demonstriert werden, dass auch konventionelle radiographische Verfahren, wie Radiographie oder CT, vom Einsatz der photonenzählenden Technik profitieren. So ist es mit dieser Technik möglich, bei sehr geringen Dosisleistungen (z.B. aufgrund der Durchstrahlung großer Wandstärken von dichten Materialien) noch sehr gute Bildqualitäten zu erreichen. Die hohe Dynamik und Kontrastempfindlichkeit dieser Technik begünstigen die Inspektion von Leichtbauwerkstoffen wie Faserverbunde, was anhand von Vergleichen mit herkömmlicher Detektortechnik und anderen ZfP-Verfahren gezeigt werden konnte. Daneben konnte durch den Einsatz der Energieschwellwertsetzung der Einfluss von nicht bildzeichnender Streustrahlung im Röntgenbild um bis zu 20 % reduziert werden. Die Auswirkungen von Aufhärtungseffekten in der CT konnten sogar um bis zu Faktor 1 000 (in der mittleren quadratischen Abweichung), im Vergleich zu herkömmlicher Detektortechnik, reduziert werden.
Der Einsatz von photonenzählender Detektortechnik mit Röntgenblitzröhren ist hingegen nicht sinnvoll, da aufgrund der hohen Photonendichte pro Puls und einer endlichen Totzeit des Detektors in der Größenordnung der Pulsbreite eines Blitzes nur ein geringes Signal detektiert werden kann.
Im Hinblick auf eine Materialdiskriminierbarkeit konnte demonstriert werden, dass im Fall einer Radiographie anhand der Energieschwellwertsetzung im Detektor eine materialstärkenunabhängige Diskriminierung zwischen zwei Materialien (hier: Al und Fe) erzielt werden kann. Unter Einsatz mehrerer Energiefenster und eines Verfahrens der explorativen und multivariaten Datenanalyse konnte eine materialaufgelöste CT eines Multi-Material-Phantoms erreicht werden, wobei die Schwächungskoeffizienten der enthaltenen Materialien im relevanten Energieberiech teilweise sehr dicht beieinander lagen.
Neben Radiographie und CT wurde auch die Möglichkeit einer materialaufgelösten Laminographie am Beispiel eines glasfaserverstärkten Rotorblatts untersucht. Anhand der Energieschwellwertsetzung war nicht nur eine eindeutige Trennung der Glasfasern von der Epoxidharzmatrix möglich, sondern auch eine signifikante Reduzierung der durch die Laminographie entstandenen Artefakte. Der damit verbundene Gewinn an Information führt zu einer verbesserten Aussagefähigkeit des Untersuchungsergebnisses, was letztendlich eine gesteigerte Betriebssicherheit zur Folge hat.
Classical film radiography is a well-established NDT technique and it is most commonly used for testing weld seams and corroded pipes e.g. in oil and gas industry or in nuclear power plants. In the course of digitization, digital detector arrays (DDA) are finding their way into industrial applications and are replacing film radiography step by step. This study deals with the latest generation of DDAs, the photon counting and energy resolving detectors (PCD), and their characteristics compared to charge integrating detectors (CID). No matter which technology to use, radiography still lacks a general issue: A three-dimensional object is projected onto a two dimensional image. Of course, advanced computed tomography (CT) algorithms exist since many years, but if the object to investigate is too large to fit into the manipulation system or its shape is not appropriate, CT is not feasible or sensible to be applied. To overcome this limitation, numerous laminographic algorithms have been developed in the past. In this study, photon counting detectors are used in combination with co-planar translational laminography to gain reconstructed three-dimensional volumes. Both laminographic testing and PCDs require a serious knowledge of many parameters that can influence the image quality in the resulting datasets. These are e.g. the detector efficiency and calibration procedure, setting of energy thresholds, exposure data, number of projections, beam length correction and spatial resolution. The use of PCDs yields more variables to be considered compared to CIDs. The most important parameters in laminographic testing and in the use of PCDs are described in this study and limits are discussed.
Carbon fiber reinforced polymer ropes are gaining in significance in the fields of civil engineering and hoisting applications. Thus, methods of non-destructive testing (NDT) need to be developed and evaluated with respect to new challenges and types of defects. Particularly important is the development of in-service testing solutions which allow the integration in global online monitoring systems. Conventional methods like electrical resistivity or strain measurements using optical fibers are already in use. This study investigates the possibility of using various X-ray techniques to increase the reliability and significance of NDT and their applicability to in-service testing. Conventional film radiography is the most common technique; however, even after image enhancement of the digitized film, this technique lacks contrast sensitivity and dynamic range compared to digital detector array (DDA) radiography. The DDA radiography is a highly sensitive method; yet, the limitation is that it delivers 2D images of 3D objects. By the use of co-planar translational laminography the detectability of planar defects is superior to 2D methods due to multiple projection angles. Apart from this, it can be used on-site due to a rather simple setup and robust equipment. In this work two photon counting detectors (PCD) with different sensor materials (Si and CdTe) were used. The results show that the resolution and defect recognition is lower in case of DDA radiography and laminography using PCDs compared to high-resolution computed tomography. However, the DDA radiography and laminography are sensitive enough to both fiber breakage and delaminations and can be significantly advantageous in terms of measurement time and adaptability for on-site monitoring.
Similar to the success story of digital photography a major upheaval has been observed in digital industrial radiology. This paper is split into 3 parts:
Part 1: Film Replacement and Backscatter Imaging: Computed radiography with phosphor imaging plates substitutes film applications. Digital Detector Arrays enable an extraordinary increase of contrast sensitivity in comparison to film radiography. The increased sensitivity of digital detectors enables the efficient usage for dimensional measurements and functionality tests substituting manual maintenance. The digital measurement of wall thickness and corrosion status is state of the art in petrochemical industry. Photon counting and energy discriminating detectors are applied up to 300 Kv provide increased thickness dynamic and material discrimination by synchronously acquisition of images of the high and low energy part of the spectrum. X-ray back scatter techniques have been applied in safety and security relevant applications with single sided access of source and detector. First inspections of CFRP in aerospace industry were successfully conducted with newly designed back scatter cameras. Numeric modeling is used to design X-Ray optics and inspection scenarios as well as conducting RT training.
Part 2: Computed tomography (CT)
Part 3: Micro Radiography and Micro CT.
Since a few years the direct detection of X-ray photons into electrical signals is possible by usage of highly absorbing photo conducting materials (e.g. CdTe) as detection layer of an underlying CMOS semiconductor X-ray detector. Even NDT energies up to 400 keV are possible today, as well. The image sharpness and absorption efficiency is improved by the replacement of the unsharp scintillation layer (as used at indirect detecting detectors) by a photo conducting layer of much higher thickness. If the read-out speed is high enough (ca. 50 – 100 ns dead time) single X-ray photons can be counted and their energy measured. Read-out noise and dark image correction can be avoided. By setting energy thresholds selected energy ranges of the X-ray spectrum can be detected or suppressed. This allows material discrimination by dual-energy techniques or the reduction of image contributions of scattered radiation, which results in an enhanced contrast sensitivity. To use these advantages in an effective way, a special calibration procedure has to be developed, which considers also time dependent processes in the detection layer. This contribution presents some of these new properties of direct detecting digital detector arrays (DDAs) and shows first results on testing fiber reinforced composites as well as first approaches to dual energy imaging.